М 74 Человек и ноосфера. М.: Мол гвардия, 1990. 351[1] с., ил

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15

Пока расход жидкости мал, ее течение носит ламинарный характер, оно следует закону Пуазейля: частицы жидкости движутся параллельно оси трубы, а эпюра их скоростей имеет параболический характер. Чтобы протолкнуть этот расход жидкости через трубу, требуется определенное усилие. Оно определяется разностью давлений, приложенных в различных сечениях трубы. С ростом расхода эта разность до поры до времени будет расти по линейному закону, а эпюра скоростей жидких частиц будет сохранять свою параболическую форму.

Но достаточно потоку превзойти некоторый критический порог, как характер течения жидкости качественно изменится. Ламинарное течение перестраивается, оно превращается в турбулентное. Разность давлений при этом начинает быстро расти.

Иными словами, существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, определяемое величиной расхода жидкости. Выше этого значения прежняя, ламинарная, форма движения жидкости существовать уже не может, старая организация системы разрушается. Вместо ламинарного движения жидкости возникает турбулентное.

Этот пример показывает, что физические системы обладают пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов — к изменению их организации. И очень важно зафиксировать следующее положение: переход системы в новое состояние в этой пороговой ситуации неоднозначен, так же как и характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целое мно-

==45

жество возможных структур, в рамках которых в дальнейшем будет развиваться система. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя. Нельзя в принципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий — флюктуации внешней среды, — которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять отбор.

Эта особенность пороговых (бифуркационных или катастрофических) механизмов играет совершенно особую роль в развитии нашего мира.

Поясним ее еще на одном примере.

Предположим, что мы взяли палку за два конца и начали ее изгибать. По мере увеличения силы, которую мы прикладываем, палка будет все больше и больше изгибаться. До поры до времени она будет все же оставаться палкой. Но в какой-то момент сломается и перестанет быть палкой. Точно предсказать, в каком месте сломается и на сколько частей, заранее мы не можем.

Вот эта неопределенность будущего и есть главная особенность рассматриваемого типа механизмов. Она есть следствие того, что будущее состояние системы при переходе ее характеристик через пороговое значение определяется прежде всего случайностью — флюктуациями.

А они присутствуют всегда! Важно сказать, что при переходе через бифуркационное состояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. В этой точке происходит как бы разветвление путей эволюции. И в силу вероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет (точнее сказать, вероятность подобного события равна нулю)! Время, как и эволюция, приобретет направленность, необратимость!

Объясняя особенности пороговых механизмов, я привел два примера процессов, происходящих в мире неживой материи. Но пороговые механизмы свойственны и процессам, протекающим в мире живой природы и общества. Но там их проявление значительно сложнее. Вот почему, выбирая иллюстративные примеры, характеризующие пороговые механизмы, я следовал известному высказыванию В. И. Вернадского: «...вполне позволительно и удобно воспользоваться здесь (то есть в биологии. — Н. М.) аналогией между живым веществом и газовой массой».

==46

Факт существования механизмов бифуркационного типа заставляет вносить извесгные коррективы и в общую картину эволюции жизни на Земле и реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Кювье. Не только дарвиновское постепенное совершенствование видов определило процесс развития, но и быстрые перестройки. Поскольку и адаптированные и бифуркационные алгоритмы являются типичными классами механизмов, реализующих самоорганизацию вещества, то нет никаких логических оснований исключать какие-либо универсальные механизмы из числа тех, что определяют эволюцию также и живого мира. Кажется, что эти общие соображения, основанные на представлениях о единстве процессов развития, находят подтверждение в наблюдениях естествоиспытателей.

В самом деле, как уже сейчас установлено геологами и палеонтологами, на Земле более или менее регулярно возникало повышение фоновой радиации (возможно, что это связано с прохождением Солнца через соответствующие зоны Космоса), В результате резко интенсифицировался мутагенез и менялись условия жизни на Земле. Это, в свою очередь, стимулировало быстрое вымирание старых видов и появление новых. Поэтому вопрос: Дарвин или Кювье — мне кажется неправомочным. Не или, а и\ Катастрофические состояния биосферы, порождавшие бифуркации, были столь же естественными элементами эволюционного процесса, как и адаптация и внутривидовая борьба. Таким образом, изучение общей логики развития нас неизбежно наводит на соображения вполне конкретного характера.

Рассуждения о механизмах, которые были приведены выше, конечно, достаточно условны и схематичны. Реальные процессы развития — это всегда целая гамма различных механизмов (о некоторых из них я еще буду говорить). Тем не менее приведенные соображения достаточно наглядны и позволяют дать разнообразные интерпретации единого процесса развития.

Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, определяют, так сказать, «каналы», внутри которых и могут протекать эволюционные процессы. В свою очередь, множество случайных факторов вне времени как бы пытаются вывести систему за эти «границы». Но до поры до времени этого не происходит — поток внутри «канала» следует механизму адапта-

==47

ционного типа. Границы адаптации («берега канала») эволюционного развития могут быть рассчитаны с большой степенью точности, если мы хорошо знаем принципы отбора, то есть законы развития.

Но вот однажды в силу тех или иных причин эволюционный поток выходит на «площадь» — пересечение нескольких каналов эволюции. И теперь вступают в действие механизмы, которые, следуя терминологии А. Пуанкаре, мы назвали бифуркационными. На перекрестке каналов возникает бифуркация (или катастрофа, если использовать язык Уитни и Тома). Характер развития качественно меняется. Но самое главное — возникает несколько вариантов дальнейшего развития эволюционного процесса. И этих вариантов столько, сколько каналов эволюции выходит на их перекресток. И выбор нового канала неопределенен — какова будет новая организация системы, предсказать невозможно!

Невозможно в принципе, ибо этот выбор зависит (окончательно определяется) от тех случайных факторов, которые неизбежно присутствуют в момент выхода системы на перекресток каналов эволюции. Они в этот момент являются фактором, определяющим последующее развитие. В этом одна из важнейших особенностей бифуркации, определяющая ее непредсказуемость.

I Сложенная интерпретация характера эволюции делает наглядным один из общих законов самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Он носит название закона дивергенции и является справедливым в равной степени на всех трех этапах развития материального мира — в мире неживой материи, в эволюции живых веществ и в обществе. Я о нем уже упоминал (в биологии этот закон часто называют законом цефализации). Теперь хочу показать, что он является прямым следствием «работы» механизмов бифуркационного типа.

Законы природы ограничивают множество возможных (виртуальных) состояний материальных систем и форм их организации, которые я условно назвал «каналами эволюции». Подчас берега этих каналов оказываются очень близкими — поддержание большинства химических реакций или сохранение гомеостазиса некоего вида возможно только в узком диапазоне параметров внешней среды. Тем не менее стохастический характер причинности и действие бифуркационных механизмов мо-

==48

жет развести сколь угодно далеко даже самые близкие, практически тождественные формы организации.

Этот факт один из основных источников неустойчивостей, которые мы непрерывно наблюдаем в окружающем нас мире. Его легко интерпретировать на хорошо известном опытном материале.

Предположим, что две одинаковые круглые колонны находятся под действием одинаковых, все возрастающих вертикальных нагрузок. Кроме того, на эти колонны непрерывно действуют порывы ветра. Поскольку механические свойства колонн одинаковы и вертикальная нагрузка одинакова, то они в один и тот же момент достигнут своего порога устойчивости, и согласно теории Л. Эйлера у них одновременно произойдет бифуркация: вертикальная форма равновесия потеряет устойчивость, и вместо нее возникнет континуум новых форм равновесия — поверхность вращения полуволны синусоиды.

Однако поскольку порывы ветра никогда не бывают строго идентичными, то после бифуркации новые формы равновесия обеих колонн будут разными. Это означает, что в новых условиях колебания колонн будут происходить в разных каналах эволюции, в данном случае в разных плоскостях. Вероятность же того, что при новой бифуркации равновесные положения колонн совпадут, равна нулю, так как форм равновесия бесчисленное множество.

С увеличением размерности системы, что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, в которых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает. Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному росту числа организационных форм.

Примечание. Среди биологов существуют и сторонники другой точки зрения, отвергающие дивергенцию. Например, последователи академика Л. С. Берга утверждали возможность конвергенции, то есть схождения форм. Дискуссии о конвергенции и дивергенции продолжаются в той или иной форме и по сей день не только среди биологов, но и обществоведов Мне кажется, что существование механизмов бифуркационного типа и установление роли флюктуации в любых процессах развития в известной степени закрывают эту дискуссию, ведь появление идентичных форм практически все-

4 Н Моисеев

==49

гуа равно нулю. Кстати, конвергенцию не следует путать со сходством отдельных особенностей (признаков) в организации тех или иных систем, функционирующих в идентичных условиях. Например, морские млекопитающие могут иметь рыбообразную форму; адаптация к внешним условиям порождает гомологические ряды Н. И. Вавилова; структура советских предприятий может конвергировать структуру соответствующих американских предприятий и т, д.

РЕДУКЦИОНИЗМ И МЕХАНИЗМЫ «СБОРКИ»

Редукционизм в любых дисциплинах означает попытку объяснения того или иного феномена, наблюдаемого на том или ином уровне организации материи, свойствами более простых явлений или наблюдаемых на «более низком» уровне организаций.

Другими словами, редукционизм — это стремление свести объяснение сложного через более простое. Поэтому редукционизм — это есть некоторый своеобразный метод мышления. Он тоже представляет собой феномен и как таковой заслуживает самого пристального внимания и исследования. По существу, редукционизм пронизывает все науки, в разной степени, но все. Это именно образ мышления — специфическое явление интеллектуальной жизни людей.

Эта особенность мышления возникла, вероятно, в процессе эволюции, однако она прививается человеку и в процессе обучения. Редукционизм и «объяснение на пальцах» — это, по существу, одно и то же.

Физики, построившие грандиозное здание модельных конструкций, по своей природе и методам анализа являются в своем подавляющем большинстве редукционистами. Наиболее яркий и простой пример редукционистского мышления нам дает создание кинетической теории газов и современной термодинамики. Именно в его рамках удается понять, что означают общие характеристики движения газа или жидкости, такие, как температура, давление, скорости движения газа, энтропия и т. д., как они связаны с общим характером движения молекул, особенностями их соударений, их энтропией и т. п.

Подобные факты — это не просто важнейшие достижения физики, но и наглядная иллюстрация успехов редукционистского образа мышления. Он породил и своеобразные методы анализа, позволяющие связывать надежными логическими переходами различные этажи того здания моделей, которое выстраивается физикой.

К оглавлению

==50

Среди редукционистского инструментария особое место занимают разнообразные асимптотические теории, придающие фундаментальность и архитектурную цельность зданию современной физики. Блестящей иллюстрацией тех возможностей, которыми обладают эти методы, является вывод уравнений движения вязкого газа (уравнения Навье — Стокса) из уравнений, которые описывают движение соударяющихся молекул (уравнения Больцмана). Этот переход от уровня микроописания динамики молекул к макроописанию движения газа требует всего лишь двух предположений — о малости свободного пробега молекул и о максвелловском законе распределения их скоростей.

В первой половине XIX века модель движения газа носила феноменологический характер — она отражала представления естествоиспытателей, их наблюдения и опыт. Теперь эта модель сделалась следствием другой феноменологической модели более глубокого уровня — модели свободного движения молекул, из которой, преодолевая те или иные математические, в конечном счете технические, трудности, выводимы все свойства движения газа.

Таким образом, редукционизм как способ сведения сложного к анализу явлений более простых является мощнейшим средством исследования. Он позволяет изучить сложнейшие явления самой различной физической природы. Однако было бы большой ошибкой думать, что этот способ познания носит универсальный характер и любые сложные явления могут быть познаны с помощью их расчленения на отдельные частные исследования их отдельных составляющих.

Тем не менее «идеология редукционизма» столь глубоко пронизала все физическое мышление, что, по-видимому, подавляющее большинство физиков глубоко убеждены, что все свойства макроуровня уже закодированы в моделях микроуровня.

Другими словами: если в распоряжении исследователя имеется достаточно «хорошая» модель, то есть модель, достаточно полно описывающая свойства микроуровня (свойства элементов системы), то определение всех свойств самой макросистемы ничего неожиданного для нас не содержит. Надо лишь для их изучения преодолеть определенные «технические трудности», но принципиально они выводимы из свойств элементов микро-

4*

==51

уровня подобно тому, как это делается в кинетической теории газов или гидродинамике вязкой жидкости.

Редукционизм порождает в физике целый ряд важнейших исследовательских программ. Одна из них, может быть, самая важная в современной теоретической физике, способная открыть совершенно новые горизонты познания, посвящена единой теории поля и включения гравитации в общую систему взаимодействий.

К числу подобных программ относятся и исследования И. Пригожина и его школы, посвященные проблеме объединения необратимости времени (проблема «стрелы времени»).

Необратимость времени, совершенно особая роль временной координаты по сравнению с пространственными координатами — это экспериментальный факт, который мы фиксируем на макроуровне. Но возникает естественный вопрос: является ли необратимость времени особым свойством макроуровня или она оказывается следствием свойств микроуровня нашего мира, то есть того уровня, который описывает, например, квантовая механика? Этот вопрос важнейший: он затрагивает самые глубинные слои нашего познания.

Я думаю, что в такой прямой постановке этот вопрос должен иметь, по-видимому, отрицательный ответ. Дело в том, что основное уравнение квантовой механики — уравнение Шредингера — инвариантно относительно направления времени, и, по-видимому, у нас нет серьезных оснований сомневаться в его справедливости: его справедливость подтверждает огромный экспериментальный материал. Противоречивость наблюдаемого на макроуровне и свойств микроуровня может быть разрешена, по-видимому, двумя способами, в основе которых лежат две совершенно разные идеи.

Одна из них — это предположение, что уравнение Шредингера все-таки не совсем точно отражает реальность и в нем должны присутствовать слагаемые, которые не инвариантны относительно замены знака времени.

По этому пути, по существу, идут Пригожий и его последователи. Но могут быть предложены и другие идеи. Об одной из них я расскажу позднее.

Небезынтересна судьба редукционизма в биологии. В прошлом веке, в особенности в его начале, казалось аксиомой утверждение о некой жизненной силе, присущей всему живому, о невозможности объяснить процес-

==52

сы, протекающие в живом веществе, только одними законами физики и химии. Это течение мысли получило название витализма. Однако оно довольно быстро стало размываться. Многие факты начали получать свое относительно простое объяснение, например, явлением наследственности, и они не требовали привлечения, казалось бы, потусторонних соображений о существовании некой жизненной силы. Поэтому влияние редукционизма весьма глубоко проникло и в различные области естествознания.

Бертран Рассел, кажется, сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого вещества можно будет предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

Конечно, такая точка зрения весьма упрощена, если угодно, рафинирована. Но ей трудно отказать в привлекательности, и, что, может быть, еще важнее, она дает указание о направлениях возможных исследований. И в той или иной степени ей следуют многочисленные работы выдающихся ученых. Уже упомянутые мной работы М. Эйгена, посвященные изучению эволюции биологических макромолекул, относятся к числу тех исследований, в которых делается попытка объяснить процессы, протекающие в живом организме, законами физики и

химии.

Вместе с тем найдется не так много биологов, которые готовы принять безоговорочно основной постулат редукционизма, смысл которого состоит в том, что никаких неожиданностей, никаких новых свойств макроуровня, не выводимых из свойств микроуровня, не существует. Другими словами, свойства системы однозначно определяются свойствами ее элементов и структурой их связей. Если этот процесс в таком крайнем виде неприемлем для биолога, то он тем более не может быть принят науками об обществе.

Я думаю, что существует некоторая общая проблема, актуальная для любых уровней организации материи. Я ее называю «проблемой сборки», или, может быть, точнее, «проблемой механизмов сборки». При объединении элементов, то есть при переходе к макроуровню, происходит образование новой структуры, обладающей своими специфическими качествами.

Кое-что об этих алгоритмах сборки мы уже знаем. Один такой пример нам дает изучение движения того же

==53

вязкого газа, о чем мы только что говорили. Если мы знаем механизм соударения молекул и если газ достаточно плотный, то есть если длина свободного пробега молекул достаточно мала, то мы, в принципе, владеем алгоритмом сборки: мы можем определить температуру, плотность, давление и другие характеристики системы «движущийся газ», которые не имеют смысла для произвольной совокупности молекул. Приведенный пример относительно прост, ибо мы знаем, как получаются общие свойства системы из свойств ее элементов.

Более сложный пример, хотя тоже еще относительно простой, нам дает кристаллография. Кристаллизация вещества — это один из примеров «сборки системы». В конце прошлого века Е. С. Федоров установил так называемый закон Федорова. Ему удалось перечислить все возможные формы (286) кристаллических структур. Оказалось, что, какое бы ни было вещество, способное к кристаллизации, будь то поваренная соль или алмаз, оно может принять лишь одну из перечисленных возможных форм.

Этот пример — тоже относительно простая яллюстрация возможных алгоритмов сборки, поскольку форма равновесия кристалла является в конечном счете следствием закона минимума потенциальной энергии. Однако здесь уже есть одна принципиальная трудность. Далеко не всегда мы можем предсказать финальное состояние процесса сборки. Как и в случае механизмов бифуркационного типа, оно определяется не только внешними условиями, но и неконтролируемыми случайными флюктуациями и внешними воздействиями.

Эти и многие подобные примеры действительно просты, ибо свойства системы могут быть установлены заранее — они определяются известными законами физики и химии (с учетом случайных флюктуации, конечно).

Но такие примеры, как правило, счастливые исключения. Проблема сборки, то есть определение свойств системы на основе информации о свойствах ее элементов, не только труднейшая, но она только начинает осознаваться как одна из самых актуальных и самых универсальных проблем современной науки. Известных успехов достигли специалисты в области создания новых полимеров. Им действительно удается порой создавать искусственные материалы, обладающие заранее заданными свойствами. Однако их достижения в большей степени

==54

обязаны накопленному опыту и интуиции инженеров и химиков, нежели строгим выводам науки.

Проблемами сборки на молекулярном уровне занимается квантовая химия. Однако ее успехи пока еще очень ограниченны, и многие экспериментальные факты, нам всем известные, продолжают оставаться глубокой тайной. Так, например, мы очень много знаем о свойствах кислорода и водорода и, конечно, знаем, что их соединение — вода — будет образовывать систему, молекула которой состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но мы совершенно беспомощны в объяснении свойств этой системы. Почему, например, плотность воды до поры до времени, как и у других веществ, растет вместе с падением температуры? Но ниже 4 градусов Цельсия она падает. В чем секрет такой аномалии? Можно ли сборку этой системы, называемую водой, полностью объяснить известными нам законами физики и химии и редуцировать изучение свойств воды к изучению атомарного уровня ее компонентов?

Blog

М 74 Человек и ноосфера. М.: Мол гвардия, 1990. 351[1] с., ил

Содержание